Ciclos Geoquímicos

El flujo de materia en los ciclos geoquímicos

La energía y la materia son los componentes más básicos de cualquier ecosistema. Sin embargo, existe una diferencia fundamental. La energía circula y se transforma en un ecosistema de forma unidireccional, mientras que la materia circula y se transforma de forma circular o cíclica. Pero, ¿por qué?

La respuesta es relativamente sencilla, si lo piensas. La energía circula por la Tierra de forma unidireccional, porque proviene de una fuente externa inagotable, el Sol. Esta energía, tras ser utilizada, se disipa en forma de calor y se sustituye por nueva energía proveniente del Sol.

Por el contrario, la materia contenida en la Tierra es limitada y no se renueva. Si la materia se utilizase de forma unidireccional como la energía, llegaría un momento en que esta se agotaría, lo cual no permitiría la vida en la Tierra. Para evitar esto, la materia se recicla en una serie de procesos cíclicos conocidos como ciclos geoquímicos. Por tanto, la circulación de materia en un ecosistema representa un sistema cerrado.

¿Qué son los ciclos geoquímicos?

Hemos mencionado que los procesos cíclicos de reciclaje de materia se denominan ciclos geoquímicos. Pero, ¿qué son y en qué consisten exactamente? A continuación, lo explicamos de forma general:

Una parte de toda la materia inorgánica del planeta esta compuesta de bioelementos. Gracias a la actividad de un grupo de organismos vivos, conocidos como productores, la materia inorgánica se transforma en materia orgánica y pasa a formar parte de los seres vivos. Para ello, los productores hacen uso de la energía proveniente del Sol (a través de la fotosíntesis) o de la energía liberada en reacciones químicas entre compuestos inorgánicos (a través de la quimiosíntesis).

Esta materia circula por los ecosistemas gracias a los organismos consumidores, que utilizan la materia orgánica creada por los productores para sustentar sus ciclos de vida. A su vez, los organismos descomponedores degradan los restos de materia orgánica derivada de todos los organismos (como cadáveres, excrementos, etc.) convirtiéndola de nuevo en materia inorgánica aprovechable por parte de los productores. Así se completa el ciclo.

El proceso de reciclaje o ciclo biogeoquímico de cada bioelemento es diferente y, en muchas ocasiones, los ciclos de distintos bioelementos pueden tener una relación de dependencia. Los más importantes son los del agua y los de bioelementos primarios y secundarios como:

• El ciclo biogeoquímico del carbono.
• El ciclo biogeoquímico del nitrógeno.
• El ciclo biogeoquímico del azufre.
• El ciclo biogeoquímico del fósforo.

Los microorganismos y los ciclos biogeoquímicos

Los microorganismos juegan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos, ya que participan en ellos como organismos productores, consumidores y descomponedores. Por tanto, los microorganismos son fundamentales para el reciclaje de la materia y por ende para la vida. A continuación exploramos en detalle los ciclos biogeoquímicos de los bioelementos más importantes y veremos cómo los microorganismos participan en ellos.

Ciclos geoquímicos: el ciclo biogeoquímico del carbono

El carbono es un bioelemento fundamental, ya que forma el esqueleto de todas las biomoléculas de los seres vivos. El carbono existente en la Tierra se almacena en reservorios. Dependiendo del tipo de reservorio, forma distintos compuestos inorgánicos de carbono. Los principales reservorios de carbono son:

• La atmósfera, donde el carbono se encuentra en forma de dióxido de carbono (CO₂).
• Las masas de agua, donde el carbono se encuentra disuelto, principalmente en forma de anión hidrogenocarbonato (HCO₃^-).
• Los sedimentos de ecosistemas marinos y terrestres.
• Las rocas carbonatadas.
• La biomasa animal y vegetal.
• Los combustibles fósiles.

El ciclo biogeoquímico del carbono describe cómo se transfiere el carbono entre los diferentes reservorios. Dependiendo de la naturaleza de los reservorios entre los que circula el carbono, se distinguen dos subciclos: el ciclo biogeoquímico corto y el ciclo biogeoquímico largo.

Fig. 1. El ciclo biogeoquímico del carbono.

Ciclos geoquímicos: ciclo biogeoquímico corto del carbono

El ciclo biogeoquímico corto del carbono describe el intercambio de carbono entre la atmósfera, las masas de agua y los seres vivos. En este ciclo:

1. Algunos organismos autótrofos (conocidos como organismos fijadores del carbono) —como las plantas, que captan el carbono atmosférico (CO₂), o como las algas o las cianobacterias, que captan el que está disuelto (HCO₃^-)— crean biomoléculas que componen materia orgánica, mediante el proceso de fotosíntesis.
2. Los organismos heterótrofos consumidores —como los animales y los microorganismos heterótrofos descomponedores, como las bacterias y los hongos— consumen esta materia orgánica y devuelven al medio el carbono, en forma de CO₂, mediante procesos catabólicos aeróbicos (como la respiración celular) y anaeróbicos (como la fermentación).

Ciclos geoquímicos: ciclo biogeoquímico largo del carbono

El ciclo biogeoquímico largo del carbono describe el intercambio de carbono entre reservorios geológicos, como los sedimentos y las rocas carbonatadas. Este ciclo se caracteriza porque el intercambio se produce durante largos periodos de tiempo y mucho más lentamente que en los intercambios en los que participan seres vivos.

Ciclos geoquímicos: el ciclo biogeoquímico del nitrógeno

El nitrógeno es otro elemento fundamental y forma el esqueleto de biomoléculas esenciales para la vida como las proteínas y los ácidos nucleicos. El principal reservorio de nitrógeno en la Tierra es la atmósfera, donde se encuentra en forma molecular (N₂). El ciclo biogeoquímico del nitrógeno describe, principalmente, la transferencia de nitrógeno entre la atmósfera y los seres vivos. El intercambio de nitrógeno entre la atmósfera y los seres vivos es posible gracias a las bacterias fijadoras de nitrógeno: estas son capaces de captar el nitrógeno molecular (N₂), lo que permite su posterior transformación en amoniaco (NH₃) o ion amonio (NH₄⁺).

También existe una gran cantidad de nitrógeno almacenado en la biomasa animal y vegetal. Las bacterias y hongos descomponedores se encargan de extraer el nitrógeno de la materia orgánica en forma de amoniaco (NH₃) o ion amonio (NH₄⁺), mediante el proceso de amonificación.

Posteriormente, las bacterias nitrosificantes transforman el amoniaco a nitritos (NO₂), y las nitrificantes convierten los nitritos en nitratos (NO₃) asimilables por los organismos vegetales —como las plantas o el fitoplancton—, mediante el proceso de nitrificación. De esta manera, el nitrógeno entra a formar parte de nuevo de la materia orgánica. Las bacterias desnitrificantes convierten el exceso de nitrato presente en el suelo en nitrógeno molecular (N₂), devolviéndolo así a la atmósfera.

Fig. 2. El ciclo biogeoquímico del nitrógeno.

Otros ciclos geoquímicos

Otros ciclos biogeoquímicos que también debes conocer son el ciclo del fósforo, el ciclo del azufre y el ciclo del hierro.

Ciclo biogeoquímico del fósforo

El fósforo es un bioelemento que forma parte de biomoléculas como el ATP, los fosfolípidos o los ácidos nucleicos. El fósforo carece de fase gaseosa y suele encontrarse en forma iónica (PO₄^3-). Los principales reservorios son las rocas sedimentarias de origen oceánico, los sedimentos terrestres, las masas de agua y la biomasa. El ciclo biogeoquímico describe cómo el fósforo se transfiere entre los reservorios.

La erosión de las rocas sedimentarias —principal fuente de fósforo— y la acción de las bacterias descomponedoras fosfatizantes (que transfieren el fosfato a partir de restos de materia orgánica) suministran al suelo con fosfatos que los organismos vegetales absorben y transfieren al resto de organismos heterótrofos. Algunos de estos fosfatos llegan a las masas de agua por escurrimiento, donde son incorporados por los organismos acuáticos y liberados a través del proceso de descomposición. Los fosfatos restantes forman las rocas sedimentarias. La transferencia de fósforo desde los ecosistemas acuáticos a terrestres ocurre a través de procesos geológicos de larga duración o gracias a los depósitos de excreciones (guano) de las aves marinas.

Fig. 3. El ciclo biogeoquímico del fósforo.

Ciclo biogeoquímico del azufre

El azufre es un bioelemento fundamental que forma parte de ciertos aminoácidos. Los reservorios principales son los sedimentos terrestres, las masas de agua y la atmósfera —donde se encuentra en forma de sulfatos (SO₄^2-)— o en sus formas gaseosas —es decir, acido sulfhídrico (H₂S) y dióxido de sulfuro (SO₂)—.

El azufre atmosférico, procedente de erupciones volcánicas, precipita y se acumula en los sedimentos terrestres en forma de sulfatos (SO₄^2-). Allí, los organismos autótrofos lo incorporan a la materia orgánica, mediante la fotosíntesis, en un proceso conocido como asimilación reductora. Como en el resto de ciclos biogeoquímicos, el azufre es utilizado por los distintos organismos heterótrofos y es devuelto al suelo y a la atmósfera en forma de acido sulfhídrico (H₂S), gracias a la actividad de los microorganismos descomponedores. Por ultimo, diferentes bacterias se encargan de transformar el acido sulfhídrico (H₂S) del suelo en sulfatos.

Fig. 4. El ciclo biogeoquímico del azufre.

Función de los microorganismos en los ciclos biogeoquímicos

Como habrás podido ver en las secciones anteriores, microorganismos como las bacterias y los hongos juegan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos. En realidad, los microorganismo participan en todas sus etapas, permitiendo el flujo ininterrumpido y el reciclaje de la materia:

• Los microorganismos autótrofos fotosintéticos actúan como productores y convierten materia inorgánica en la materia orgánica que compone los seres vivos.
• Los microorganismos heterótrofos, como algunos organismos protistas, actúan como consumidores: utilizan la materia orgánica como fuente de energía y de bioelementos y devuelven algunos de ellos a sus reservorios geológicos, a través de sus procesos metabólicos.
• Los microorganismos quimioheterótrofos, como algunas bacterias y hongos, actúan como descomponedores: convierten la materia orgánica en materia inorgánica.

A continuación puedes encontrar algunos ejemplos concretos de cómo los microorganismos participan en los ciclos biogeoquímicos.

Ejemplos de microorganismos en los ciclos geoquímicos

Hemos visto cómo los organismos participan en los ciclos biogeoquímicos y cuáles son sus funciones generales. Pero ¿cuáles son esos microorganismos y qué hacen exactamente? A continuación respondemos estas preguntas, poniendo ejemplos de microorganismos que participan en el ciclo biogeoquímico del carbono y el ciclo biogeoquímico del nitrógeno.

Ejemplo de microorganismos en el ciclo biogeoquímico del carbono

Ejemplo de microorganismos en el ciclo biogeoquímico del nitrógeno

Las bacterias nitrificantes se encargan de convertir el amoniaco (NH₃) o ion amonio (NH₄⁺), proveniente de la fijación del nitrógeno y de la descomposición, y convertirlo en nitratos necesarios para organismos vegetales. Existen dos subgrupos:

• Las bacterias del género Nitrosomonas son bacterias nitrosificantes; es decir, convierten el amoniaco en nitritos.
• Las bacterias del género Nitrobacter son bacterias nitrificantes; es decir, convierten los nitritos en nitratos.